高速公路水泥稳定碎石基层混合料优化设计与施工控制
李国文 王捷
【浙江申苏浙皖高速公路有限公司 313000】 【东南大学交通学院 210096】
摘要：为确保水泥稳定碎石基层的工程质量，有必要对水泥稳定碎石基层混合料进行优化设计，并加强施工过程质量控制。本文从原材料要求、配合比组成、拌和、摊铺、碾压、质量验收等方面进行了阐述。
关键词：高速公路 水泥稳定碎石 配合比 优化 施工控制
0. 概述
路面基层是沥青面层下铺筑的主要承重层，在路面基层的施工中，必须层层把关，严格要求。目前我国已建高速公路大都采用半刚性基层，常用的是水泥稳定粒料和石灰粉煤灰稳定粒料基层，由于具有更好的水稳定性，近年来水泥稳定碎石基层在东南多雨地区得到越来越广泛的应用。
与二灰稳定类基层相比，水泥稳定碎石基层在路用性能上有一些优势，但半刚性基层易产生反射裂缝的缺点仍不可避免，为减少反射裂缝的发生，确保路面基层的工程质量，
1. 混合料优化设计
水泥稳定材料的组成设计包括：根据规定的材料指标要求，通过试验选取合适的集料和水泥；确定合理的集料配合比例、水泥剂量、混合料的最佳含水量和相应的最大干密度。合理的水泥稳定碎石组成必须达到强度要求，具有较小的温缩和干缩系数（现场裂缝较少），施工和易性好（粗集料离析较小）。
1.1 材料要求
（1）水泥
拌制水泥稳定碎石混合料的水泥宜采用强度等级不低于42.5级的早强、缓凝水泥，3天胶砂强度应不小于18Mpa。受外界影响而变质的水泥不得采用。水泥各龄期强度、安定性等应符合规定；水泥初凝时间应不小于3小时、终凝时间不小于6小时。
（2）碎石
碎石的最大粒径不超过31.5mm，宜按粒径9.5-26.5mm、4.75-9.5mm、2.36mm-4.75mm和0-2.36mm四种规格备料。
碎石压碎值应不大于28%，粗集料针片状含量应不大于18%（宜不大于15%）。碎石中小于0.6mm的颗粒必须做液限和塑性指数试验，要求液限小于28%，塑性指数<9。合成碎石的颗粒组成应符合表1的规定。
表1 水泥稳定碎石混合料中合成碎石的颗粒组成
级配 通过下列筛孔(mm)的重量百分率(%)
31.5 26.5 19 9.5 4.75 2.36 0.6 0.075
范围 100 90～100 72～89 47～67 29～49 17～35 8～22 0～7
（3）水 凡饮用水皆可使用，遇到可疑水源，应委托有关部门化验鉴定。
1.2 混合料组成设计
（1）取工地实际使用的集料，分别进行水洗筛分，按颗粒组成进行计算，确定各种集料的组成比例。要求组成混合料的级配应符合表1的规定。
为保证配制出的混合料具有较好的抗裂性能以及施工时减少离析的产生，建议配合比设计时级配曲线按正“S”形调整。4.75mm以上筛孔通过率宜处于级配中值与上限之间，2.36mm以下筛孔通过率宜处于级配中值与下限之间，0.075mm筛孔通过率宜在2.5％左右。
（2）取工地使用的水泥，按不同水泥剂量分组试验。一般建议水泥剂量按3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%五种比例进行试验（以集料质量为100）。制备不同比例的混合料（每组试件个数为：偏差系数10％～15％时9个，偏差系数15％～20％时13个），用重型击实法确定各组混合料的最佳含水量和最大干密度。
（3）为减少基层裂缝，必须做到三个限制：在满足设计强度的基础上限制水泥用量；在减少含泥量的同时，限制细集料、粉料用量；根据施工时气候条件限制含水量。具体要求水泥剂量应不大于5%（建议用高标号水泥，可减少水泥剂量）、集料级配中0.075 mm以下颗粒含量宜不大于3.5%、含水量宜不超过最佳含水量的1%。
（4）根据确定的最佳含水量，拌制水泥稳定碎石混合料，按要求压实度（重型击实标准，98％）制备混合料试件，在标准条件下养护6天，浸水一天后取出，做无侧限抗压强度。
（5）水泥稳定碎石7天浸水无侧限抗压强度代表值 应满足基层为3.5MPa ~4.0MPa，底基层为2.5MPa ~3.0MPa，这样既保证足够的强度，也避免因强度过高产生较多反射裂缝。
（6）试件室内试验结果抗压强度的代表值按下式计算：

式中： －抗压强度代表值，MPa；
－该组试件抗压强度的平均值，MPa；
－保证率系数，高速公路保证率95％，此时 ＝1.645；
－试验结果的偏差系数（以小数计）。
（7）用插值法取强度代表值满足设计要求（宜取范围中值）的配合比作为水泥稳定碎石的最佳生产配合比，用重型击实法求得最佳含水量和最大干密度。
2. 施工过程控制
2.1 施工机械
路面基层施工，一律要求采用集中厂拌、摊铺机摊铺，按层次施工。每层最大压实厚度不大于20cm，以确保基层施工质量。水泥稳定碎石施工要求单幅分两层梯队摊铺作业，因而必须配备以下主要机械：
（1）拌和机 根据高速公路的技术要求和摊铺日进度，必须配置产量大于400吨/小时的拌和机，要保证其实际出料（生产量的80%）能力超过实际摊铺能力的10-15%。为使混合料拌和均匀，拌缸要满足一定长度。至少要有五个进料斗，料斗口必须安装钢筋网盖，筛除超出粒径规格的集料及杂物。拌和机的用水应配有大容量的储水箱。
（2）摊铺机 应根据路面基层的宽度、厚度，选用合适的摊铺机械。根据工程项目实际，基层施工应采用两台摊铺机梯队作业。但要求两台摊铺机功能一致，最好为同一机型，以保证路面基层厚度一致，完整无缝，平整度好。
（3）压路机 至少应配备12吨左右轻型压路机2台，18-20吨的稳压用压路机2台、振动压路机2台和胶轮压路机2台。压路机的吨位和台数必须与拌和机及摊铺机生产能力相匹配，使从加水拌和到碾压终了的时间不超过2小时，保证施工正常进行。
（4）水泥钢制罐仓 可视摊铺能力决定其容量，总容量不低于100吨，罐仓内应配有水泥破拱器，以免水泥起拱停流。
2.2 底基层的检查与验收
（1）底基层外形检查
底基层外形检查内容有高程、中线偏位、宽度、横坡度和平整度。
（2）底基层压实度检查、修补与验收
底基层应进行压实度和表面松散检查，凡不符合要求的路段，应分别采用补充碾压、填换好的材料等。
（3）底基层沉降检查
底基层的表面沉降速率应达到连续两个月小于5mm/月才可铺筑基层。
2.3 试铺
正式开工之前，应进行试铺。试铺段应选择在经验收合格的底基层上进行，其长度为300－600米左右，每一种方案试验100－200米。
水泥稳定碎石混合料采用中心站集中拌和（厂拌）法施工，由两台摊铺机梯队摊铺作业，一次碾压密实。
试铺段要决定的主要内容如下：
（1）验证用于施工混合料的配合比
①调试拌和机，分别称出拌缸中不同规格的碎石、水泥、水的重量，测量其计量的准确性
②调整拌和时间，保证混合料均匀性
③检查混合料含水量、集料级配、水泥剂量、7天无侧限抗压强度
（2）确定一次铺筑的合适厚度和松铺系数（约为1.20~1.30）
（3）确定标准施工方法
① 混合料配比的控制方法
② 混合料摊铺方法和适用机具（包括摊铺机的行进速度、摊铺厚度的控制方式、梯队作业时摊铺机的间隔距离，一般5－8米）
③ 含水量的增加和控制方法
④ 压实机械的选择和组合，压实的顺序，速度和遍数
建议： 12－15吨双钢轮压路机静压1遍（速度1.5-1.7km/小时）；18－20吨双钢轮压路机静压1遍（速度1.5-1.7km/小时）；激振力20-25吨三轮或双钢轮压路机振动碾压2遍（速度1.8-2.2km/小时）；激振力大于40吨三轮或双钢轮压路机振动碾压2－3遍（速度1.8-2.2km/小时）；轮胎压路机碾压1－2遍（速度1.5-1.7km/小时）。
⑤ 拌和、运输、摊铺和碾压机械的协调和配合
（4）确定每一作业段的合适长度（一般建议50-80米）
（5）严密组织拌和、运输、碾压等工序，缩短延迟时间
一般来说，试铺段的检验频率应是正式施工时的2－3倍。
2.4 施工
2.4.1 一般要求
（1）清除作业面表面的浮土、积水等。并将作业面表面洒水湿润。
（2）开始摊铺的前一天要进行测量放样，按摊铺机宽度与传感器间距，一般在直线上间隔为10米，在平曲线上为5米，做出标记，并打好导向控制线支架，根据松铺系数算出松铺厚度，决定导向控制线高度，挂好导向控制线。用于控制摊铺机摊铺厚度的控制线的钢丝拉力应不小于800N。
（3）水泥稳定碎石基层的施工期建议在冰冻到来半个月前结束施工，尽量避免在高温季节施工。
（4）下层水泥稳定碎石施工结束7天后即可进行上层水泥稳定碎石的施工。建议两层水泥稳定碎石施工间隔不宜长于30天。
2.4.2 混合料的拌和
（1）开始拌和前，拌和场的备料应能满足3-5天的摊铺用料。
（2）每天开始搅拌前，应检查场内各处集料的含水量，计算当天的配合比，外加水与天然含水量的总和要比最佳含水量略高。实际的水泥剂量可以大于混合料组成设计时确定的水泥剂量约0.5％，但是，实际采用的水泥剂量和现场抽检的实际水泥剂量应小于5.0％。
（3）每天开始搅拌之后，按规定取混合料试样抽查级配和水泥剂量；随时在线检查配比、含水量是否变化。高温作业时，早晚与中午的含水量要有区别，要按温度变化及时调整。
（4）拌和机出料不允许采取自由跌落式的落地成堆、装载机装料运输的办法。一定要配备带活门漏斗的料仓，由漏斗出料直接装车运输，装车时车辆应前后移动，分三次装料，避免混合料离析。
2.4.3 混合料的运输
（1）运输车辆在每天开工前，要检验其完好情况，装料前应将车厢清洗干净。运输车辆数量一定要满足拌和出料与摊铺需要，并略有富余。
（2）应尽快将拌成的混合料运送到铺筑现场。车上的混合料应覆盖，减少水分损失。如运输车辆中途出现故障，必须立即以最短时间排除；当车内混合料不能在初凝时间内运到工地摊铺压实，必须予以废弃。
2.4.4 混合料的摊铺
（1）摊铺前应将底基层或基层下层适当洒水湿润。
（2）摊铺前应检查摊铺机各部分运转情况，而且每天坚持重复此项工作。
（3）调整好传感器臂与导向控制线的关系；严格控制基层厚度和高程，保证路拱横坡度满足设计要求。
（4）摊铺机宜连续摊铺。如拌和机生产能力较小，在用摊铺机摊铺混合料时，应采用最低速度摊铺，禁止摊铺机停机待料，摊铺机的摊铺速度一般宜在1米/分钟左右。
（5）基层混合料摊铺应采用两台摊铺机梯队作业，一前一后应保证速度一致、摊铺厚度一致、松铺系数一致、路拱坡度一致、摊铺平整度一致、振动频率一致等，两机摊铺接缝平整。
（6）摊铺机的螺旋布料器应有三分之二埋入混合料中。
（7）在摊铺机后面应设专人消除细集料离析现象，特别应该铲除局部粗集料“窝”，并用新拌混合料填补。
2.4.5 混合料的碾压
（1）每台摊铺机后面，应紧跟三轮或双钢轮压路机，振动压路机和轮胎压路机进行碾压，一次碾压长度宜为50－80米。碾压段落必须层次分明，设置明显的分界标志。
（2）碾压应遵循生产试验路段确定的程序与工艺。注意稳压要充分，振压不起浪、不推移。压实时，可以先稳压（遍数适中，压实度达到90%）→开始轻振动碾压→再重振动碾压→最后胶轮稳压，压至无轮迹为止。碾压过程中，可用核子仪初查压实度，不合格时，重复再压（注意检测压实时间）。碾压完成后用灌砂法检测压实度。
（3）压路机碾压时应重叠1/2轮宽。
（4）压路机倒车换挡要轻且平顺，不要拉动基层，在第一遍初步稳压时，倒车后尽量原路返回，换挡位置应在已压好的段落上，在未碾压的一头换挡倒车位置错开，要成齿状，出现个别拥包时，应进行铲平处理。
（5）压路机碾压时的建议行驶速度，第1-2遍为1.5-1.7km/小时，以后各遍应为1.8-2.2km/小时。
（6）压路机停车要错开，相距间隔不小于3米，应停在已碾压好的路段上。
（7）严禁压路机在已完成的或正在碾压的路段上调头和急刹车。
（8）碾压宜在水泥终凝前及试验确定的延迟时间内完成，并达到要求的压实度，同时没有明显的轮迹。
（9）为保证水泥碎石基层边缘强度，应有一定的超宽；对用方木或型钢模板支撑时，也应有一定超宽。
2.4.6 横缝设置
（1）水泥稳定碎石混合料摊铺时，应连续作业，如因故中断时间超过2小时，则应设横缝；每天收工之后，第二天开工的接头断面也要设置横缝；要特别注意桥头搭板前水泥碎石的碾压。
（2）横缝应与路面车道中心线垂直设置，接缝断面应是竖向平面。其设置方法：
①压路机碾压完毕，沿端头斜面开到下承层上停机过夜。
②第二天将压路机沿斜面开到前一天施工的基层上，用三米直尺纵向放在接缝处，定出基层面离开三米直尺的点作为接缝位置，沿横向断面挖除坡下部分混合料，清理干净后，摊铺机从接缝处起步摊铺。
③压路机沿接缝横向碾压，由前一天压实层上逐渐推向新铺层，碾压完毕再纵向正常碾压。
2.5 养生及交通管制
（1）每一段碾压完成以后应立即进行质量检查，并开始养生。
（2）养生方法：建议先在碾压完成后的基层表面覆盖一层塑料薄膜，然后将麻布或透水无纺土工布湿润覆盖在薄膜上面。在7天内应保持基层处于湿润状态，28天内正常养护。养生结束后，必须将覆盖物清除干净。
（3）用洒水车洒水养生时，洒水车的喷头要用喷雾式，不得用高压式喷管，以免破坏基层结构，每天洒水次数应视气候而定，整个养生期间应始终保持水泥稳定碎石层表面湿润。
（4）基层养生期不应少于7d。养生期内洒水车必须在另外一侧车道上行驶，工人手持水龙带，跨过中分带喷洒养生水。
（5）在养生期间应封闭交通。
2.6 主要质量检查验收项目
（1）压实度
基层的干密度用灌砂法检查，最好使用直径20cm的灌砂筒，试坑挖深应为铺层的全厚，使检测结果代表该层平均干密度。从试坑中取出的全部混合料试样在工地现场用液化汽炉炒干法测定含水量，以减少试验误差，并对压实度不合格点能及时碾压。基层碾压结束便立即挖坑试验，监理抽检应与施工单位自检同时进行。如果不及时检查，由于水泥稳定碎石早期强度发展较快，达一定强度后，挖洞取样工作将比较困难。
施工过程中的质量检查标准应是每个检查点的压实度均不小于98%，对压实度不合格的检查点应及时处理，直到合格为止。只有在交工验收时才允许用数理统计算术平均值的下置信界限进行检验与评定。
（2）厚度
采用挖坑法测量路面厚度，即用灌砂法进行压实度检查的同时，测量试坑的深度即该层路面厚度。如果想得到基层的总厚度时，挖坑法比较困难。较理想的检查方法是定点高程测量及算出路面厚度，不仅可以得到分层厚度，也可以得路面基层总厚度，同时厚度的施工检测频率可提高至原频率的8至10倍。
路面厚度的检查标准和质量评定方法，施工过程和交工验收两个阶段相同，均采用数理统计算术平均值的下置信界限计算出厚度的代表值。①厚度代表值不小于设计值减8mm时，则该路段厚度合格；②厚度单点测值小于设计值减15mm时，按测点数的百分率扣分。③对于单个厚度达不到设计值的测点也不必返工处理；④对于厚度代表值小于设计厚度减8mm时，该评定路段厚度不合格，该不合格的路段应作相应处理。
（3）水泥剂量
现行规范规定，水泥质量与干燥集料质量之比的百分数称为水泥稳定碎石混合料的水泥剂量，施工中均采用EDTA滴定法测定。制备标准曲线时应配制五组不同水泥剂量的混合料，其中间为设计剂量，集料均为设计确定的级配，混合料用最佳含水量。每种剂量配制1800g湿混合料试样，分成6份，每个试样300克进行滴定，取6个试样试验结果的平均值作为该剂量消耗EDTA标准溶液的毫升数。不用将水泥稳定碎石混合料中大于4.75mm颗粒集料筛除后余下的细混合料进行滴定。实践表明，由于采用了6个原状混合料试样进行检验，取其结果的平均值，基本上消除了试样粗、细集料颗粒不均匀而引起的误差，比筛除粗集料后试验更符合实际，结果更准确，操作更方便。
（4）级配
水泥稳定碎石混合料的集料级配检验可以在拌和前的运输皮带上取样筛分，但必须停机取样，拌和机再起动拌和，需经一定时间调整后才能走上正常拌和，影响正常生产。建议拌和机拌和后在拌和场取成品混合料试样水洗筛分。由于含有水泥成分，应与水泥剂量联合检验。并认为水泥颗粒存留在0.075mm筛上的颗粒很少，对集料筛分结果的影响可以忽略。
3. 结论
（1）水泥稳定碎石混合料所用水泥宜采用强度等级不低于42.5级的早强、缓凝水泥，3天胶砂强度应不小于18Mpa，避免因水泥标号低、用量多而产生较多反射裂缝。
（2）为保证配制出的混合料具有较好的抗裂性能以及施工时减少离析的产生，建议配合比设计时级配曲线按正“S”形调整。4.75mm以上筛孔通过率宜处于级配中值与上限之间，2.36mm以下筛孔通过率宜处于级配中值与下限之间，0.075mm筛孔通过率宜在2.5％左右。
（3）水泥稳定碎石7天浸水无侧限抗压强度代表值宜满足基层为3.5MPa ~4.0MPa，底基层为2.5MPa ~3.0MPa，这样既保证足够的强度，也避免因强度过高产生较多反射裂缝。
（4）施工时实际水泥剂量可以大于混合料组成设计时确定的水泥剂量约0.5％，但是，实际采用的水泥剂量和现场抽检的实际水泥剂量应小于5.0％。
（5）高温作业时，早晚与中午的含水量要有区别，要按温度变化及时调整。
参考文献
【1】《江苏省高速公路沥青路面施工技术指导意见汇编》，江苏省高速公路建设指挥部，2005.
【2】《浙江申苏浙皖高速公路水泥稳定碎石基层施工指导意见》，东南大学交通学院，2005.
【3】《公路路面基层施工技术规范（JTJ034-2000）》,人民交通出版社，2000.
【4】《公路工程无机结合料稳定材料试验规程（JTJ057-94）》, 人民交通出版社，1994.
【5】《论水泥稳定碎石基层施工中的质量检查》，韩以谦，2004年江苏省高速公路建设论文集